車身設(shè)計與生產(chǎn)的全程數(shù)字工程

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:有限元分析培訓中心

作者:美最時洋行技術(shù)出口有限公司奚松山

對金屬板材沖壓成形進行數(shù)值分析始于20世紀80年代末。由于在汽車制造領(lǐng)域,尤其是轎車制造領(lǐng)域,需要生產(chǎn)大量金屬板材沖壓件,因此,仿真模擬分析技術(shù)很快在這一領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1994年,總部位于瑞士蘇黎世的AutoForm工程有限公司推出了基于靜態(tài)隱式算法的快速求解器,將仿真分析時間從原來的幾天縮短到幾個小時,從而在這一領(lǐng)域開始真正實現(xiàn)了仿真模擬分析的工業(yè)化應(yīng)用。

仿真模擬的發(fā)展

經(jīng)過近20年的發(fā)展,如今,仿真模擬分析已經(jīng)在汽車車身沖壓件及沖壓模具的設(shè)計與制造領(lǐng)域普遍應(yīng)用,并逐步成為行業(yè)標準流程中不可或缺的環(huán)節(jié)之一。

回顧過去近20年的歷史,仿真模擬分析技術(shù)在轎車車身沖壓件設(shè)計與生產(chǎn)中的應(yīng)用可分為四個階段,即:

第一階段,1990~1995年。在這一階段,仿真模擬分析僅僅用于沖壓件的拉延成形工序。由于當時的仿真分析軟件人工剖分網(wǎng)格非常復(fù)雜、耗時,加之計算時間長達數(shù)天甚至數(shù)周,因此,當時的應(yīng)用主要局限于高校、科研院所及國外大型汽車制造商的研發(fā)部門,并未真正實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

第二階段,1995~1999年。在這一階段,AutoForm工程有限公司于1994年推出了自適應(yīng)全自動網(wǎng)格剖分器及基于靜態(tài)隱式算法的快速求解器,將仿真分析時間從原來的幾天縮短到幾個小時,從而實現(xiàn)了仿真模擬分析在這一領(lǐng)域真正的工業(yè)化應(yīng)用。

第三階段,2000~2008年。AutoForm工程有限公司于2000年推出了使用便捷的快速模面設(shè)計模塊,將模面設(shè)計時間由幾周縮短到幾個小時。仿真模擬分析在這一領(lǐng)域的應(yīng)用很快跨上了一個新的臺階,應(yīng)用范圍也延伸到了沖壓件產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、沖壓模具設(shè)計、虛擬試模等工藝環(huán)節(jié)。

第四階段,2009年至今后。車身設(shè)計和生產(chǎn)進入全新的“全程數(shù)字工程(CDPP——Comprehensive Digital Process Planning)”階段。

“全程數(shù)字工程”及AutoFormPlus R1

金屬板材沖壓成形領(lǐng)域的“全程數(shù)字工程”最先由AutoForm工程有限公司總裁兼首席執(zhí)行官瓦德瑪·庫彼利博士(Dr. Waldemar Kubli)于2008年9月1日在瑞士英特拉根市(Interlaken)舉行的第七屆國際金屬板材成形數(shù)字模擬大會(Numisheet 2008)上首次提出。

庫彼利博士認為,汽車(尤其是轎車)車身沖壓件,從整車車身概念到?jīng)_壓件批量生產(chǎn)是由一條完整的工藝鏈組成的,這個工藝鏈主要包括(整車)車身造型階段、產(chǎn)品(工件)設(shè)計階段、工藝規(guī)劃與招投標階段(含模具招投標與白車身焊裝招投標)、工藝設(shè)計階段、模具設(shè)計與制造階段、工藝優(yōu)化/驗證及試模階段、批量生產(chǎn)階段。這個工藝鏈的各個環(huán)節(jié)緊密相關(guān)且相互影響,前道環(huán)節(jié)的方案質(zhì)量直接或間接地影響后續(xù)環(huán)節(jié)。

當然,一個理想的最佳工藝方案是由產(chǎn)品功能(產(chǎn)品幾何形狀、產(chǎn)品材料)、產(chǎn)品質(zhì)量(成形工藝性、匹配精度、表面質(zhì)量)、(綜合)成本(生產(chǎn)成本、材料成本、模具成本)、時間進度(模具制造時間、生產(chǎn)爬坡時間)四大方面(十個因素)共同決定的,即一個理想的最佳工藝方案并不僅僅是一個能夠制造出合格工件的方案,也不一定是成本最高或最低的方案,而是上述各個方面、各種因素的全面考慮和綜合均衡的方案(見圖1)。

圖1 最佳工藝方案

沖壓成形仿真模擬分析必須考慮上述工藝鏈各環(huán)節(jié)的相互影響,并綜合考慮,均衡上述影響工藝方案的各個方面,進行全面的仿真分析,即“全程數(shù)字工程(Comprehensive Digital Process Planning)”,因此,沖壓成形仿真分析軟件必須能夠滿足“車身沖壓件全面數(shù)字工程”的要求。

基于以上觀點,AutoForm工程有限公司在2009年推出了全新版本的軟件AutoFormPlus R1(組成模塊見圖2),針對性地滿足轎車車身沖壓件“全程數(shù)字工程”的應(yīng)用,著力打造貫穿于金屬板材成形從產(chǎn)品概念到批量生產(chǎn)的完整工藝流程的智能化仿真分析解決方案。

圖2 AutoForm plus R1的組成模塊

AutoFormPlus R1采用全新的求解器技術(shù),全面支持熱壓成形仿真分析,進一步改善了級進模成形仿真分析,靈活應(yīng)用了很多新的成形技術(shù)和工藝模型,使得工藝模型高度接近實際,高層次細節(jié)上增加了更多變量,大大提高了工藝設(shè)計速度,工藝校驗也進一步改善。

全程數(shù)字工程的成功應(yīng)用

對于全程數(shù)字工程,AutoForm工程有限公司與奧迪已全面合作,奧迪在其車身沖壓件的設(shè)計與生產(chǎn)全流程采用AutoForm仿真分析軟件,以實現(xiàn)金屬板材成形從產(chǎn)品概念到批量生產(chǎn)的完整工藝流程分析與優(yōu)化。

以下以三個典型車型的座椅支撐梁為例,來闡述基于“全程數(shù)字工程”的工藝方案確定。表1為三個車型及其座椅支撐梁的基本情況,以及最佳工藝方案的初步分析。

表1 基本參數(shù)及初步工藝分析

首先采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-CostCalculatorTM(工藝規(guī)劃與成本分析模塊),進行基于工藝特征的成本分析,三個車型的座椅支撐梁的模具成本分別為31.萬歐元、61.7萬歐元和30.2萬歐元,按產(chǎn)量折算單件成本,分別是1.06歐元、0.21歐元和0.10歐元。同時采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-OneStep (一步法快速分析模塊)、AutoFormPlus-BlankDesignerTM (料片設(shè)計模塊)、AutoFormPlus-Nest (落料排樣優(yōu)化分析模塊)進行材料成本分析(結(jié)果見圖3),單件成本分別是1.85歐元、1.49歐元和0.96歐元。

圖3 材料成本分析

產(chǎn)品工藝特征要全面均衡考慮產(chǎn)品功能、質(zhì)量、產(chǎn)量及成本控制。奧迪采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-DieDesignerTM (模面設(shè)計模塊)、AutoFormPlus-OneStep (一步法快速分析模塊)、AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)進行產(chǎn)品工藝特征分析,結(jié)果見表2。

表2 工藝特性分析

接下來,奧迪采用AutoFormPlus的AutoFormPlus-DieAdvisorTM(模具材料與表面處理綜合分析模塊),進行基于車型規(guī)劃特征與產(chǎn)品工藝特征的模具材料與表面處理分析(結(jié)果見圖4),并用AutoFormPlus的AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)分析產(chǎn)品成形的工藝性(見圖5),如成形缺陷、起皺、表面沖擊線等,還用AutoFormPlus的AutoFormPlus-Incremental (增量法精密分析模塊)、AutoFormPlus-CompensatorTM (回彈分析與補償模塊)、AutoFormPlus-SigmaTM (穩(wěn)定性分析與優(yōu)化模塊)分析并補償回彈及分析工藝與生產(chǎn)穩(wěn)定性(見圖6)。